Материал: Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

массы этого вещества (идеально чистого) к массе реального, вещества (с примесями):

И>В= т в/т нав = т в/(т В+ ^прнм) >^ * (22)

где т в- масса основного вещества В; т прим-масса примесей в на­

Массовая доля вещества* в навеске-величина безразмер­ ная; например, массовая доля железа в чугуне (сплаве железа с углеродрм) может составлять 0,965, т. е. и>Ре = 0,965.

. Массовая доля вещества может - быть выражена и в процентах:

нъ% = 100и>в. , (23)

Например, известняк (природный карбонат кальция) может содержать 82% СаСОэ, другими словами, чистота извест­ няка по СаСОэ равна 82%. Остаток в 18% приходится на различные примеси (песок, силиката и др.), т. е: и>прим % = 18%.

и в продуктах промышленного производства.

Степень очистки химических реактивов может быть раз­ ной; качественно (по уменьшению процентного содержания примесей) различают реактивы: «технические»,/ «чистые»^ «чистые для анализа», «химически чистые» и «особо чистые». Так, «химически чистая» серная кислота содержит 99,999% основного вещества (Н28€>4) и только 0,001% примесей. В специальных отраслях техники используют еще более чистые вещества; например, германий в полупроводниковой технике доводят до чистоты «десять девяток», т.е. до про­ центного содержания основного вещества, равного 99,99999999%. ^ _

Упражнения

3.1. Укажите, к какому типу взаимодействия относятся сле­ дующие реакции:

СаС12 .+ Н2804 = (5а804| + 2НС1,

25

3.3.Укажите, какие из реакций, уравнения которых приведены

вупражнениях 3.1 и. 3.2, являются окислительно-восстановитель­

К2803 + НС1 = К.С1 + 802Т + Н20, А12 (804)3 + *Ш3-Н20 = А1(ОН)3| + (ИН4)2804, п 3и + н 2о = ы н 3 н 2о + ПОН,

М§(НС03)2 + НС1 = М§С12 + С02Т + Н2С),

СгС13 + К28 + Н20 = Сг(ОН)3| + Н28Т + КС1, Иа2В40 7 + Н2804 + Н20 = В(ОН)3| + Иа2804.

3.5.Реагируют 2 г меди (Лт= 64) и 2 г серы (Аг = 32). Устано­ вите (устно), какова масса продукта-сульфида меди(И). Ответ: 3 г.

3.6.Нагрели 9 г галлия (Аг = 70) й 9 г хлора (Мг « 70). Опреде-

лите (устно) массу образовавшегося хлорида галлия(Ш). Ответ: 15 г. . ' ,

3.7. Определите (устно) объем кислорода (при н.у.), израсходо­ ванный на полное превращение 0,1 моль сульфида меди(И) в суль­ фат меди(И). Ответ: 4,48 л.

4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ. ХЙМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Химическая кинетика. Скорость химических реакций. Зависи­ мость скорости реакции от природы, поверхности соприкосновения и концентрации реагирующих веществ, температуры реакции и ка­ тализаторов. Закон действующих масс для скорости химической реакции. Понятие о катализе. Катализаторы и ингибиторы.

Химическое равновесие. Обратимость химических реакций. Закон действующих масс для химического равновесия. Константа равновесия. Сдвиг химического, равнбвесия. Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации.

Химическая кинетика. Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции

является ее с к о р о с т ь, т. е. скорость взаимодействия частиц реагентов А и В илй скорость появления продуктов И и Е. Изучением скорости химических реакций и ее зависимости от

26

различных факторов занимается раздел химии, называемый

химической кинетикой.

В гомогенных (однородных) системах исследуется ско­ рость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах); в гетеро­ генных системах изучается скорость реакции на поверхности

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентраций реагентов или продуктов в единицу времени:

где Дсреаг = (Среаг - ^реаг)-это уменьш ение концентрации реа­ гентов за промежуток времени Ат = т2 — ; сп^ л = — с'ирод)~

это увел ич ение концентрации продуктов за промежуток времени Ат = т2 —XI .

Изменение концентраций реагентов и продуктов реакции во времени изображают графически (рис. 1). В начальный момент времени (т = 0) концентрация реагентов наиболь­ шая, а концентрация продуктов равна нулю. В процессе реакции концентрация реагентов уменьшается, а концентра­ ция продуктов растет. ' '

Скорость химической реакции зависит от нескольких факторов.

1.Природа реагентов. Здесь большую роль играет харак­ тер химических связей в соединениях, строение их молекул. Например, выделение водорода цинком из раствора хлороводорода происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как полярность связи Н—С1 больше, чем для связи О—Н в молекуле СН3СООН, иначе говоря, из-за того, что НС1-сильный электролит, а СН3СООН - слабый электролит в водном растворе.

2.Концентрация реагентов.

Чтобы произошло взаимодей­ ствие, частицы реагирующих веществ в гомогенной системе должны столкнуться. Число столкновений пропорционально

Рис. 1. Зависимость концентрации реагентов и продуктов от времени

27

числу частиц реагирующих веществ в объеме реактора, т.е. их молярным концентрациям.

Установлено, что скорость химической реакции *прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реа­ гентов, если для реакции необходимо столкновение двух реагирующих .молекул. Эта зависимость носит название

закона действующих масс для скорости химической реакции

(К. Гульдберг, П. Ваагё, 1867 г.). Для реакции А + В -►Про­ дукты этот закон выразится уравнением:

V= к(сА)(с^^), _ ч (25)

где к-коэффициент пропорциональности, называемый константой скоростиреакции; сА и св-молярные концентрации реагентов.

Константа скорости реакции к зависит от природы реаги­ рующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентраций реагентов и численно равна скорости реакции V при условии (сА)(св) =ч 1 .

Если одно из реагирующих веществ находится в твердом состоянии, то реакция происходит лишь на поверхности раздела, поэтому концентрация твердого вещества4не вклю­ чается в уравнение кинетического закона действующих масс.

Для реакций, уравнения которых не отражают механизма протекания этих реакций, необходимо рассматривать каж­ дую элементарную стадию отдельно., Тройные и более столкновения (А + В + В + ... маловероятны, поэтому такир реакции' (например, 142 + ЗН2 = 21ЧН3) протекаютвсегда в несколько элементарных стадий (А + В -►). Кине­ тический закон действующих масс применим т о л ь к о к каждой из этих стадий, но нё к уравнению химической реакции в целом,

2-4 раза {правило Вант-Гоффа): Для реакций в растворах скорость также увеличивается с ростом температуры и часто в той же мере, как и для газовых реакций. При повышении температуры возрастает число а к ти в н ы х молекул, т.е. таких молекул, которые в момент столкновения обладают большой энергией и могут образовать продукты.

4. Поверхность соприкосновения реагентов. Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для раст­ воримых веществ-путем их растворения. Реакции в раст­ ворах протекают практически мгновенно.

28

Ъ.Катализатор. Большое влияние на скорость реакции оказывают катализаторы - вещества, ув е л и ч и в а ю щ и е скорость реакции (часто от нуля до очень больших значе­ ний), но не входящие в состав продуктов. Увеличение ско­ рости реакций под влиянием катализаторов называется катализом. Во многих случаях катализаторы образуют с одним из реагирующих веществ промежуточное соединение, которое реагирует с другим исходным веществом, образуя продукт и высвобождая катализатор.

Иногда употребляют отрицательные катализаторы- ингибиторы, которые, наоборот, з а м е д л я ю т нежелательт ные химические реакции (например, коррозию металлов).

Химическое равновесие. Химическая реакция называется обратимой, если в данных условиях протекает не только п р я м а я реакция (-»)/но также и о б р а т н а я реакция (<-*), Т.е. из исходных веществ образуются продукты и одновре­ менно из продуктов получаются реагенты:

, аА +7>В (Ю+ еЕ.

Обратимые реакции не доходят до конца. Концентрации реагентов уменьшаются,^что( приводит к уменьшению ско-- роста прямой реакции !Г. Скорость же обратной реакции V постоянно возрастает, поскольку увеличиваются концентрацйи продуктов.

, Когда скорости^ прямой и обратной реакций станут одинаковыми (р = V), то наступает состояние равновесия, при котором не происходит дальнейшего изменения кон­ центраций реагентов и продуктов.

Всостоянии равновесия концентрации реагентов и про­ дуктов постоянны; их называют равновесными концентра­ циями и обозначают [А], [В], [С], [Е] в отличие от концентраций сА, св, с0, сЕ в’ любой другой момент времени.

Всостоянии равновесия произведение молярных концент­ раций продуктов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, деленное на такое же произведение молярных концентраций исходный веществ,'есть величина постоянная при

Г= соп§{. Это отношение обозначают Кс и называют конс­ тантой равновесия данной* реакции:

_ ЦУ]а[Е]е

С [А]в [В]ь

Полученное выражение носит название закона действующих

29